JP5167657B2 - Brushless DC motor drive device and ventilation blower equipped with the drive device - Google Patents
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本発明は、換気送風装置、例えば、天井に埋め込まれて使用される天井埋込形換気扇に使用されるブラシレスDCモータの駆動装置に係り、矩形波通電で位置センサを用いることなくインバータ回路に供給される電流波形を検出して回転子の位置を推定し、センサレス制御により通電位相を制御するブラシレスDCモータの駆動装置において、低速回転等でモータ電流値が小さくなって検出できない場合、固定子巻線に発生する誘起電圧を検出し回転子の位置を推定して駆動すると共に、ブラシレスDCモータが脱調して異常な状態になっても、その状態を検出し安全に停止させる駆動装置に関する。 The present invention relates to a drive device for a brushless DC motor used in a ventilation fan, for example, a ceiling-embedded ventilation fan embedded in a ceiling, and is supplied to an inverter circuit by using rectangular wave energization without using a position sensor. In a brushless DC motor drive device that detects the current waveform detected to estimate the rotor position and controls the energization phase by sensorless control, if the motor current value becomes small and cannot be detected due to low speed rotation or the like, the stator winding The present invention relates to a drive device that detects an induced voltage generated on a line and estimates and drives the position of a rotor, and detects and safely stops the state even when a brushless DC motor steps out and becomes abnormal.
従来、この種のブラシレスDCモータやその駆動装置は効率が良く(省電力)耐久性に勝れていることから長時間に渡り駆動される換気送風装置、例えばレンジフードや天井埋込形換気扇に搭載されている。また、換気送風装置の小型化や低コスト化の要求から、ブラシレスDCモータやその駆動装置の小型化や低コスト化が求められている。更に、快適性の向上のために微風量で長時間安定して換気することや大風量で短時間に換気することと共に、ブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、確実に脱調を検出し安全に停止することが求められている。 Conventionally, this type of brushless DC motor and its driving device are efficient (power saving) and superior in durability, so that it is used in a ventilation fan that is driven for a long time, such as a range hood or a ceiling-mounted ventilation fan. It is installed. Further, due to the demand for downsizing and cost reduction of the ventilation fan, downsizing and cost reduction of the brushless DC motor and its driving device are required. Furthermore, in order to improve comfort, stable ventilation with a small airflow for a long time and ventilation with a large airflow for a short time, and when a brushless DC motor steps out and stops, it reliably detects stepping out. It is required to stop safely.
図5は従来の天井埋込形換気扇にブラシレスDCモータ及びその駆動装置を搭載し、実際に天井に設置された例を示している。図5(a)は天井埋込形換気扇の説明図であり、天井埋込換気扇118はケーシング115にブラシレスDCモータ102及びブラシレスDCの駆動装置112を取り付け、回転子104に送風ファン116を取り付けた構造であり、この天井埋込形換気扇を天井に取り付け、ブラシレスDCモータ102をその駆動装置112によって駆動して室内から室外に換気を行う。図5(b)は天井埋込形換気扇の設置状態を示し、天井埋込形換気扇118は天井120に埋め込まれ、室内の空気はダクト119を通して外壁121に隔てられた室外に排出することによって換気を行う。
FIG. 5 shows an example in which a brushless DC motor and its driving device are mounted on a conventional ceiling-embedded ventilation fan and are actually installed on the ceiling. FIG. 5A is an explanatory view of a ceiling-embedded ventilation fan. A ceiling-mounted
図6、図7及び図8は従来の回転子の位置を固定子のコイルに発生する誘起電圧を検出することによって、ブラシレスDCモータの固定子巻線に誘起される誘起電圧に対する固定子巻線に印加するモータ電圧との位相から回転子の位置を推定し、目標位相に追従するように通電を制御するものが知られている(例えば特許文献1参照)。また、ブラシレスDCモータの脱調による異常過大モータ電流値を検出して停止するブラシレスDCモータの駆動装置が知られている。以下、そのブラシレスDCモータの駆動装置の動作について説明する。 FIGS. 6, 7 and 8 show a stator winding for an induced voltage induced in a stator winding of a brushless DC motor by detecting an induced voltage generated in the stator coil by detecting the position of the conventional rotor. to estimate the position of the rotor from the phase of the motor voltage to be applied, that has been known to control the energization so as to follow the target phase (for example, see Patent Document 1). There is also known a brushless DC motor driving device that detects and stops an abnormally excessive motor current value due to a step-out of the brushless DC motor. The operation of the brushless DC motor driving device will be described below.
図6に示すように、直流電源105は、インバータ回路101に直流電圧を供給する。インバータ回路101は3相インバータブリッジの構成であり、Q1,Q2,Q3はそれぞれU,V,W相の上アームスイッチング素子であり、同様にQ4,Q5,Q6はそれぞれU,V,W相の下アームスイッチング素子である。各スイッチング素子には、それぞれ並列に還流ダイオードD1,D2,D3,D4,D5,D6を接続する。ブラシレスDCモータ102は固定子103と回転子104から構成され、固定子103には電気角で120度の位相差を持つように3相固定子巻線LU,LV,LWが配置される。また、固定子巻線には誘起電圧検出手段114であるPU,PV,PWが接続され、直流電源105の1/2電圧113と比較して回転子の位置を推定する位置検出信号を出力し、ブラシレスDCモータの駆動装置112のマイクロコンピュータ110に内蔵された回転子位置検出手段118に出力される。回転子位置推定手段118は位置検出信号より、あらかじめ記憶しておいた固定子巻線LU,LV,LWに誘起される誘起電圧と固定子巻線LU,LV,LWに印加するモータ電圧の位相関係から回転子の位置を推定し、通電手段108に出力する。誘起電圧検出手段114の電子部品の一例としてコンパレータがある。通電手段108は入力した位置検出信号より目標位相に追従するように通電信号を決定し、異常検出手段109に出力する。
As shown in FIG. 6, the
直流電源105とスイッチング素子の間には、図示するように電流検出抵抗106を配置する。マイクロコンピュータ110に内蔵された電流検出手段107は電流検出抵抗106より出力されたモータ電流値の電圧をA/D変換器でディジタル値に変換し、モータ電流値を認識する。異常検出手段109は電流検出手段107より出力されるモータ電流値と予め定められたしきい値と比較し、モータ電流値が小さい場合、通電手段108から出力される通電信号をドライブ回路111に出力する。
A
ドライブ回路111は通電手段108から出力される通電信号に基づいてモータ電圧U+,U−,V+,V−,W+,W−をインバータ回路101のスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6に出力する。インバータ回路101はドライブ回路111の通電信号に基づいて実際にブラシレスDCモータ102を駆動する。
The
また、異常検出手段109は電流検出手段107より出力されるモータ電流値と予め定められたしきい値と比較し、モータ電流値が大きい場合、通電手段108からの通電信号にかかわらず、異常として停止させる信号をドライブ回路111に出力する。
Further, the abnormality detection means 109 compares the motor current value output from the current detection means 107 with a predetermined threshold value. If the motor current value is large, the abnormality detection means 109 is regarded as abnormal regardless of the energization signal from the energization means 108. A signal to be stopped is output to the
ドライブ回路111はモータ電圧の通電信号を停止しインバータ回路101のスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6に出力し、インバータ回路101はブラシレスDCモータ102を実際に停止させる。
The
図7は各部の波形を示し、図7(a)は誘起電圧検出手段114のPU,PV,PWの入力信号で、固定子巻線に加えられるモータ電圧と直流電源105の1/2電圧113の波形を入力する。モータ電圧はいわゆるPWMの波形となっている。図7(b)は位置検出信号の出力信号で、1/2電圧113より大きい場合はH、小さい場合はLの信号を位置検出信号として出力する。回転子位置検出手段118は通電した後、誘起電圧が徐々に大きくなってHの信号になるまでの時間TAと、逆に徐々に下がってLの信号が続くまでの時間TBより、固定子巻線に誘起される誘起電圧と固定子巻線に印加するモータ電圧の位相より回転子の位置を推定する。目標の時間をTM=1m秒、TA=TB=0.3m秒とすると(1)式から位相を検出する。
FIG. 7 shows the waveforms of each part, and FIG. 7A shows PU, PV, PW input signals of the induced voltage detection means 114, and the motor voltage applied to the stator winding and the
TA/TM = TB/TM =0.3/1=0.3 ・・・(1)
となり、位相は−20度と指定される。
TA / TM = TB / TM = 0.3 / 1 = 0.3 (1)
And the phase is specified as -20 degrees.
図7(c)は実際に回転子位置推定手段が予め記憶しておいたTA、TBより固定子巻線に誘起される誘起電圧と固定子巻線に印加するモータ電圧との位相の関係を示す表である。 FIG. 7C shows the phase relationship between the induced voltage induced in the stator winding from TA and TB actually stored in advance by the rotor position estimating means and the motor voltage applied to the stator winding. It is a table | surface which shows.
図8はドライブ回路111の出力波形で、モータ電圧U+,U−,V+,V−,W+,W−の信号の組み合わせを出力する。目標位相を0度とすると、TA/TM=TB/TM=1になる様に、常に制御される。
FIG. 8 shows an output waveform of the
図9の図9(a)は電流検出手段107の検出したモータ電流値である。実際にはPWM波形となるので、電流が流れている期間にA/D変換器がモータ電流値を検出する。図9(b)は異常検出手段109の予め定められたしきい値に対し、電流検出手段107が検出するモータ電流値が高くなった場合、ドライブ回路111の出力が停止し、モータ電流が流れなくなった波形を示す。
FIG. 9A of FIG. 9 shows the motor current value detected by the current detection means 107. Since it actually becomes a PWM waveform, the A / D converter detects the motor current value during the period in which the current flows. In FIG. 9B, when the motor current value detected by the current detection means 107 becomes higher than the predetermined threshold value of the abnormality detection means 109, the output of the
ここで、換気送風装置の小型化や低コスト化の要求から、ブラシレスDCモータやその駆動回路の小型化や低コスト化が求められている。従来のブラシレスDCモータの駆動装置は、センサレスで駆動できるのでモータに位置検出用のセンサやそれを実装するための回路基板は必要無く、ブラシレスDCモータの小型化や低コスト化に役立っていた。しかし、誘起電圧検出手段は3個のコンパレータが必要となり、ブラシレスDCモータの駆動装置が大きくなりコストも高くなるため、小型化や低コスト化が更に必要となっていた。そこで、本願出願人は矩形波通電でモータ電流を検出して回転させるブラシレスDCモータのセンサレス駆動回路を発明した。 Here, due to the demand for downsizing and cost reduction of the ventilation fan, downsizing and cost reduction of the brushless DC motor and its drive circuit are required. Since the conventional brushless DC motor driving device can be driven without a sensor, a motor for position detection and a circuit board for mounting the sensor on the motor are not necessary, which has been helpful in reducing the size and cost of the brushless DC motor. However, the induced voltage detection means requires three comparators, and the driving device of the brushless DC motor becomes large and the cost is high. Therefore, further downsizing and cost reduction are required. Therefore, the present applicant has invented a sensorless drive circuit for a brushless DC motor that detects and rotates a motor current by energizing a rectangular wave.
直流電源からインバータ回路に供給されるモータ電流値に基づいて、ブラシレスDCモータの固定子巻線に誘起される誘起電圧に対する固定子巻線に印加するモータ電圧との位相より回転子の位置を推定し、目標位相に追従するように通電を制御するものである。誘起電圧検出手段PU,PV,PWを無くすことにより、ブラシレスDCモータやその駆動装置の低コストと小型化を実現するものである。 Based on the motor current value supplied from the DC power supply to the inverter circuit, the rotor position is estimated from the phase of the induced voltage induced in the stator winding of the brushless DC motor and the motor voltage applied to the stator winding. The energization is controlled so as to follow the target phase. By eliminating the induced voltage detection means PU, PV, and PW, the cost and size of the brushless DC motor and its driving device can be reduced.
以下、特願2005−275732のその動作について、図10及び図11を参照しながら説明する。図10に示すように、直流電源105からインバータ回路101に供給されるモータ電流値を検出する電流検出抵抗106を配置する。電流検出抵抗106の電圧をマイクロコンピュータ110に内蔵されている電流検出手段107に入力する。電流検出手段107はA/D変換器である。回転子位置推定手段118は電流検出手段107でディジタル化したモータ電流値から時間経過に対する電流変化率を演算し、あらかじめ記憶しておいた電流変化率と比較して、回転子の位置を推定する。
The operation of Japanese Patent Application No. 2005-275732 will be described below with reference to FIGS. As shown in FIG. 10, a
異常検出手段109は電流検出手段107より出力されるモータ電流値と予め定められたしきい値と比較し、モータ電流値が小さい場合、通電手段108から出力される通電信号をドライブ回路111に出力する。ドライブ回路111は通電手段108から出力される通電信号に基づいてモータ電圧信号U+,U−,V+,V−,W+,W−をインバータ回路101のスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6に出力する。インバータ回路101はドライブ回路111の通電信号に基づいて実際にブラシレスDCモータ102を駆動する。
The
また、異常検出手段109は電流検出手段107より出力されるモータ電流値と予め定められたしきい値と比較し、モータ電流値が大きい場合、通電手段108からの信号にかかわらず、異常として停止させる信号をドライブ回路111に出力する。その他の部分については前記従来のブラシレスDCモータの駆動装置と同様なため説明を省略する。
Further, the abnormality detection means 109 compares the motor current value output from the current detection means 107 with a predetermined threshold value, and when the motor current value is large, the abnormality detection means 109 stops as an abnormality regardless of the signal from the energization means 108. The signal to be output is output to the
図11は各部の波形を示し、図11(a)は電流検出手段107が電流波形よりモータ電流値を検出する説明図である。図11(b)は回転子位置推定手段が予め記憶しているモータ電流値の電流変化率と固定子巻線LU,LV,LWに誘起される誘起電圧に対する固定子巻線LU,LV,LWに印加するモータ電圧との位相関係を示す表である。 FIG. 11 shows the waveform of each part, and FIG. 11A is an explanatory diagram in which the current detection means 107 detects the motor current value from the current waveform. FIG. 11B shows the stator windings LU, LV, LW with respect to the current change rate of the motor current value stored in advance by the rotor position estimating means and the induced voltages induced in the stator windings LU, LV, LW. It is a table | surface which shows the phase relationship with the motor voltage applied to.
例えばI1=0.5A,I2=0.6Aとすると、電流変化率は(2)式となる。 For example, when I1 = 0.5A and I2 = 0.6A, the current change rate is expressed by equation (2).
電流変化率=I2/I1=0.6/0.5=1.2 ・・・(2)
となり、位相は−20度と推定される。図11(c)は実際に電流変化率が変化した時の電流波形の例を示す。位相が0度からずれると電流変化率が変わるので、いつも同じ電流変化率になるように通電を制御することになる。例えば目標位相を0度とすると、I2/I1=1.24になる様に常に制御される。位相がずれるとモータ電流値が大きくなる。これは、回転子104の誘起電圧の大きさが小さくなるためである。
Current change rate = I2 / I1 = 0.6 / 0.5 = 1.2 (2 )
And the phase is estimated to be -20 degrees. FIG. 11C shows an example of a current waveform when the current change rate actually changes. Since the current change rate changes when the phase deviates from 0 degrees, the energization is always controlled so that the same current change rate is obtained. For example, if the target phase is 0 degree, the control is always performed so that I2 / I1 = 1.24. When the phase shifts, the motor current value increases. This is because the magnitude of the induced voltage of the
この様な構成にすることにより、誘起電圧検出手段は必要無くなり、電流検出抵抗106より出力されるモータ電流値を検出して駆動することができるので、ブラシレスDCモータ駆動装置が小さくでき、小型化や低コスト化が可能になった。
By adopting such a configuration, the induced voltage detection means is not necessary, and the motor current value output from the
しかしながら、この様な従来の構成では近年の快適性の向上のために、微風量で長時間安定して換気することが要求されているため、特に微風量で長時間換気した場合、モータ電流が極小になるため、電流検出手段107のモータ電流値が検出できず、回転子の位置である位相が推定できないという課題があった。また、天井埋込形換気扇が換気を行っている場合、室外の風により室内から室外に空気が流れ送風ファン116に外力が加わると、ブラシレスDCモータのモータ電流が無くなり、電流検出手段107がモータ電流値を検出できなくなるため、同様に回転子の位置である位相が推定できないという課題があった。
However, in such a conventional configuration, in order to improve comfort in recent years, it is required to stably ventilate for a long time with a slight air volume. Since it is minimized, there is a problem that the motor current value of the current detection means 107 cannot be detected and the phase that is the position of the rotor cannot be estimated. In addition, when the ceiling-embedded ventilation fan is ventilating, if air flows from the room to the outside due to the outdoor wind and external force is applied to the
図12は、天井埋込形換気扇の送風ファン116に外力が加わった場合のモータ電流の状態を示す。図12(a)は天上埋込形換気扇の室外の風により送風ファン116が外力を受ける状態を示している。天井埋込換気扇118は室内の空気が矢印で示す様にダクト119を通して室外に排出され送風ファン116に外力を与える。(送風ファン116は図5を参照)図12(b)は室内から室外に空気が流れ送風ファン116に外力が加わった場合の電流検出手段107の検出する電流の例を示す。
FIG. 12 shows the state of the motor current when an external force is applied to the
そこで、電流検出手段107に電流波形を増幅する増幅器122を接続して、小さくなった電流を増幅して電流波形を検出することが考えられる。(c)は電流検出手段に増幅器122を接続した例を示す。増幅器は電流波形が高速に変化するため高価な高速増幅器を使用する必要があるためコストアップにとなり、低コスト化が実現できないという課題があった。増幅器は一例として高速オペアンプがある。
Therefore, it is conceivable that an
また、同様にブラシレスDCモータがロックやセンサレス駆動のため脱調して停止した場合、確実に脱調を検出し安全に停止することが求められているため、特に大風量で換気した場合、モータ電流が極大になるため、電流検出手段107のモータ電流値が極大になり、異常検出手段109の予め定められたしきい値と大差がなくなり、異常検出が働き、再起動しなければならないという課題があった。また、天井埋込形換気扇が換気を行っている場合、室外の風により室外から室内に空気が流れ送風ファン116に外力が加わると、ブラシレスDCモータのモータ電流が増加し、電流検出手段107のモータ電流値が更に大きくなり、異常検出手段109の予め定められたしきい値を超え、異常検出が正常に働かないという課題があった。
Similarly, when a brushless DC motor steps out due to locking or sensorless driving, it is required to detect step-out reliably and stop safely. Since the current becomes maximum, the motor current value of the current detection means 107 becomes maximum, there is no large difference from the predetermined threshold value of the abnormality detection means 109, the abnormality detection works, and it must be restarted was there. In addition, when the ceiling-embedded ventilation fan is ventilating, when air flows from the outside into the room due to the outdoor wind and an external force is applied to the
図13は同様に天井埋込形換気扇の送風ファン116に外力が加わった場合のモータ電流の状態を示す。図13(a)は天上埋込形換気扇の室外の風により送風ファン116が外力を受ける状態を示している。天井埋込換気扇118は室外の空気が矢印で示す様にダクト119を通して室内に送風され送風ファン116に外力を与える。(送風ファン116は図5を参照)図13(b)は室外から室内に空気が流れ送風ファン116に外力が加わり、モータ電流が大きくなった場合の電流検出手段107の検出する電流と予め定められたしきい値の例を示す。
FIG. 13 shows the state of the motor current when an external force is similarly applied to the
本発明は、このような従来の課題を解決するものでありモータ電流値が極小になっても回転子の位置である位相が推定できるブラシレスDCモータの駆動装置の提供を目的とし、また、微風量で長時間安定して換気する事や、誘起電圧検出手段を1相で検出しることから小型化や低コスト化することができ、また、長時間に渡り駆動して換気されることからブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、確実に脱調を検出することができるブラシレスDCモータの駆動装置およびそれを搭載した換気送風装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a brushless DC motor driving apparatus capable of estimating the phase that is the position of the rotor even when the motor current value is minimized. Since it can be ventilated stably for a long time with the amount, and the induced voltage detection means is detected in one phase, it can be reduced in size and cost, and it can be ventilated by driving for a long time. when the brushless DC motor is stopped by loss of synchronism, and to provide a reliable driving device for a brushless DC motor capable of detecting the loss of synchronism and ventilation blower equipped with it.
本発明のブラシレスDCモータの駆動装置は、上記目的を達成するために、直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路を介して接続された3相の固定子巻線と回転子を有するブラシレスDCモータを前記インバータ回路のスイッチング素子をオン・オフさせて回転させるブラシレスDCモータ駆動装置において、前記直流電源からインバータ回路に供給されるモータ電流値を検出する電流検出抵抗と、モータ電流値より電流波形を検出する電流検出手段と、固定子巻線に発生する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、電流波形と誘起電圧より回転子の位置を推定する回転子位置推定手段と、前記回転子位置推定手段より推定された電流波形と誘起電圧による回転子の位置から実際の回転子の位置を判断する位置検出判断手段と、回転子の位置に基づいて通電する通電手段を備えたブラシレスDCモータの駆動装置であって、前記位置検出判断手段はモータ電流値に対し予め定められたしきい値を設け、そのしきい値よりモータ電流値が小さい時は前記誘起電圧検出手段より回転子の位置を検出し、そのしきい値よりモータ電流値が大きい時は電流検出手段から回転子の位置を検出することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a brushless DC motor driving apparatus according to the present invention has a three-phase stator winding and a rotor connected via an inverter circuit in which a plurality of switching elements are bridge-connected to a DC power supply. A brushless DC motor driving apparatus for rotating a brushless DC motor having a switching element of the inverter circuit on and off, a current detection resistor for detecting a motor current value supplied from the DC power source to the inverter circuit, and a motor current Current detection means for detecting the current waveform from the value, induced voltage detection means for detecting the induced voltage generated in the stator winding, rotor position estimation means for estimating the position of the rotor from the current waveform and the induced voltage, to determine the actual position of the rotor from the position of the rotor according to the estimated current waveform and an induced voltage from the rotor position estimation unit A position detection determination means, a drive device for a brushless DC motor example Bei energization means for energizing based on the position of the rotor, said position detecting determining means provided a predetermined threshold to the motor current value When the motor current value is smaller than the threshold value, the rotor position is detected by the induced voltage detection means, and when the motor current value is larger than the threshold value, the rotor position is detected by the current detection means. It is characterized by this.
この手段により、モータ電流値に対し予め定められたしきい値に対して、モータ電流値が大きい場合には電流波形により回転子の位置を推定し、モータ電流値が小さい場合には 誘起電圧により回転子の位置を推定することで、モータ電流値が極小になって電流波形が検出できなくなっても回転子の位置を検出できるブラシレスDCモータの駆動装置が得られる。 By this means, the rotor position is estimated from the current waveform when the motor current value is large with respect to a predetermined threshold value for the motor current value, and by the induced voltage when the motor current value is small. By estimating the rotor position, it is possible to obtain a brushless DC motor driving apparatus that can detect the rotor position even if the motor current value becomes minimum and the current waveform cannot be detected .
また、他の手段は、誘起電圧検出手段は3相の固定子巻線の内のいずれか1相の誘起電圧で検出し、電流波形及び誘起電圧による回転子の位置から実際の回転子の位置を判断するようにしたものである。 The other means is that the induced voltage detection means detects the induced voltage of any one of the three-phase stator windings, and determines the actual rotor position from the current waveform and the rotor position based on the induced voltage. Is to be judged.
この手段により、誘起電圧検出手段はいずれか1相の誘起電圧検出回路で実現でき、低コストで小型化できるブラシレスDCモータの駆動装置が得られる。 By this means, the induced voltage detection means can be realized by any one-phase induced voltage detection circuit, and a drive device for a brushless DC motor that can be reduced in size at low cost can be obtained.
また、他の手段は、異常検出手段は電流検出手段と誘起電圧検出手段より推定した回転子の位置が予め定められた値以上の差がある場合、前記ブラシレスDCモータを停止させるようにしたものである。 Another means is that the abnormality detection means stops the brushless DC motor when the position of the rotor estimated by the current detection means and the induced voltage detection means is greater than a predetermined value. It is.
この手段により、ブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、回転子の位置の推定に差ができるため、確実に脱調を検出し安全に停止することができるブラシレスDCモータの駆動装置が得られる。 By this means, when the brushless DC motor steps out and stops, there is a difference in the estimation of the rotor position. Therefore, a brushless DC motor drive device that can reliably detect the step out and stop safely is obtained. It is done.
また、他の手段は、請求項1乃至3のいずれかに記載のブラシレスDCモータの駆動装置を搭載した換気送風装置である。
Further, another means is a ventilation blower equipped with the brushless DC motor driving device according to any one of
この手段により、微風量で長時間安定して換気することや、ブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、確実に脱調を検出し安全に停止することができる換気送風装置が得られる。 By this means, it is possible to obtain a ventilating air blower that can stably ventilate for a long time with a slight air volume, or can reliably detect the step-out and stop safely when the brushless DC motor steps out and stops.
本発明によれば、モータ電流値が極小になっても位相が推定できることから、微風量で長時間安定して換気する事や、誘起電圧検出手段を1相で検出しることから小型化や低コスト化することができ、また、長時間に渡り駆動して換気されることからブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、確実に脱調を検出することができるブラシレスDCモータの駆動装置およびそれを搭載した換気送風装置を提供できる。 According to the present invention, since the phase can be estimated even when the motor current value is minimized, it is possible to ventilate stably for a long time with a small air volume, or to detect the induced voltage detecting means in one phase, thereby reducing the size. The brushless DC motor drive device that can reduce the cost and can detect the step-out reliably when the brushless DC motor steps out and stops because it is driven and ventilated for a long time. And a ventilation blower equipped with it can be provided.
本発明の請求項1記載の発明は、直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路を介して接続された3相の固定子巻線と回転子を有するブラシレスDCモータを前記インバータ回路のスイッチング素子をオン・オフさせて回転させるブラシレスDCモータ駆動装置において、前記直流電源からインバータ回路に供給されるモータ電流値を検出する電流検出抵抗と、モータ電流値より電流波形を検出する電流検出手段と、固定子巻線に発生する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、電流波形と誘起電圧より回転子の位置を推定する回転子位置推定手段と、前記回転子位置推定手段より推定された電流波形と誘起電圧による回転子の位置から実際の回転子の位置を判断する位置検出判断手段と、回転子の位置に基づいて通電する通電手段を備えたブラシレスDCモータの駆動装置であって、前記位置検出判断手段はモータ電流値に対し予め定められたしきい値を設け、そのしきい値よりモータ電流値が小さい時は前記誘起電圧検出手段より回転子の位置を検出し、そのしきい値よりモータ電流値が大きい時は電流検出手段から回転子の位置を検出することを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a brushless DC motor having a three-phase stator winding and a rotor connected via an inverter circuit formed by bridge-connecting a plurality of switching elements to a DC power source. In a brushless DC motor driving apparatus that rotates by turning on and off a switching element of a circuit, a current detection resistor that detects a motor current value supplied to the inverter circuit from the DC power supply, and a current that detects a current waveform from the motor current value Estimated by a detecting means, an induced voltage detecting means for detecting an induced voltage generated in the stator winding, a rotor position estimating means for estimating a rotor position from the current waveform and the induced voltage, and the rotor position estimating means Position detecting / determining means for determining the actual rotor position from the rotor position based on the generated current waveform and the induced voltage, and based on the rotor position. A drive device for a brushless DC motor example Bei energization means for energizing you are, the position detecting determining means provided a predetermined threshold with respect to the motor current value when the motor current value is smaller than the threshold Is a brushless DC motor drive device that detects the rotor position from the induced voltage detection means and detects the rotor position from the current detection means when the motor current value is larger than the threshold value. is there.
このことにより、モータ電流値が極小になって電流波形が検出できなくなっても誘起電圧により位置が推定できる。 As a result, the position can be estimated from the induced voltage even if the motor current value becomes minimum and the current waveform cannot be detected.
本発明の請求項2記載の発明は、請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置において、誘起電圧検出手段は3相の固定子巻線の内のいずれか1相の誘起電圧で検出し、電流波形及び誘起電圧による回転子の位置から実際の回転子の位置を判断するようにしたブラシレスDCモータの駆動装置である。
The invention according to
このことにより、ブラシレスDCモータの駆動装置が低コストで小型化できる。 As a result, the brushless DC motor drive device can be reduced in size at low cost.
本発明の請求項3記載の発明は、請求項1乃至2のいずれかに記載のブラシレスDCモータの駆動装置において、異常検出手段は電流検出手段と誘起電圧検出手段より推定した回転子の位置が予め定められた値以上の差がある場合、前記ブラシレスDCモータを停止させるようにしたブラシレスDCモータの駆動装置である。 According to a third aspect of the present invention, in the brushless DC motor drive device according to any one of the first to second aspects, the abnormality detecting means has a rotor position estimated from the current detecting means and the induced voltage detecting means. The brushless DC motor driving apparatus is configured to stop the brushless DC motor when there is a difference equal to or greater than a predetermined value.
このことにより、ブラシレスDCモータの駆動装置が確実に停止を検出し安全に停止することができる。 As a result, the drive unit of the brushless DC motor can reliably detect the stop and stop safely.
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載のブラシレスDCモータの制御装置を搭載した換気送風装置である。 A fourth aspect of the present invention is a ventilation air blower equipped with the brushless DC motor control device according to any one of the first to third aspects.
このことにより、換気送風装置が快適性の向上のために微風量で長時間安定して換気することや、ブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、確実に脱調を検出し安全に停止することができる。 As a result, when the ventilation fan blows stably for a long time with a slight air flow to improve comfort, or when the brushless DC motor steps out and stops, it will reliably detect step out and stop safely can do.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1に示すように、直流電源5からインバータ回路1に供給されるモータ電流値を検出する電流検出抵抗6を配置する。電流検出抵抗6の電圧をマイクロコンピュータ15に内蔵されている電流検出手段7に入力する。電流検出手段7はA/D変換器である。回転子位置推定手段8は電流検出手段7でデジタル化したモータ電流値から電流値の時間に対する電流変化率を演算し、あらかじめ記憶しておいた固定子巻線LU,LV,LWに誘起される誘起電圧に対する固定子巻線LU,LV,LWに印加するモータ電圧の位相関係から定められた電流変化率を比較し、回転子の位置である位相を推定する。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, a
一方、固定子巻線には誘起電圧検出手段12が接続され、直流電源5の1/2電圧13と比較し、回転子位置推定手段8に出力する。誘起電圧検出手段12の電子部品の一例としてコンパレータがある。回転子位置推定手段8は入力された信号より、固定子巻線3のLUに誘起される誘起電圧に対する固定子巻線3に印加するモータ電圧との位相を推定する。位置検出判断手段9は回転子位置推定手段8より出力される電流検出手段と誘起電圧検出手段より推定された2つの位相に対し、電流検出手段7から出力されるモータ電流値と予め定められたしきい値を比較し、モータ電流値の方が大きい場合、電流検出手段7より推定した位相を採用し、逆に小さい場合、誘起電圧検出手段12より推定した位相を採用し、通電手段10に出力する。通電手段10は入力した位置検出信号より常に同じ位相になる様に制御する。
On the other hand, an induced
異常検出手段11は電流検出手段7より出力されるモータ電流値と予め定められた電流値と比較し、モータ電流値の方が小さい場合、通電手段10から出力される通電信号をドライブ回路14に出力する。ドライブ回路14は通電手段10から出力される通電信号に基づいてモータ電圧信号U+,U−,V+,V−,W+,W−をインバータ回路1のスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6に出力する。インバータ回路1はドライブ回路14のモータ電圧信号に基づいて実際にブラシレスDCモータ2を駆動する。
The abnormality detection unit 11 compares the motor current value output from the
また、異常検出手段11は電流検出手段107より出力されるモータ電流値と予め定められた電流値と比較し、モータ電流値が大きい場合、通電手段10からの信号にかかわらず、異常として停止させる信号をドライブ回路14に出力する。
Further, the abnormality detection means 11 compares the motor current value output from the current detection means 107 with a predetermined current value. When the motor current value is large, the abnormality detection means 11 stops as an abnormality regardless of the signal from the energization means 10. The signal is output to the
図2は各部の波形を示し、図2(a)は誘起電圧検出手段12の入力波形で1相の固定子巻線LUの波形である。図2(b)は誘起電圧検出手段12と電流検出手段7の出力波形である。誘起電圧検出手段12はH,Lの波形となっており、電流検出手段7はデジタル値となっている。図2(c)は実際の誘起電圧検出手段12と電流検出手段7の出力波形と位置検出判断手段9の判断の例を示す。予め定められたモータ電流値のしきい値より大きい場合、例えば、0.3Aをしきい値として、0.3Aより大きい場合、各通電NoイからNoルにおける推定された位相を示している。誘起電圧検出手段12及び電流検出手段7により推定された位相は各通電毎に行われる。しかし、しきい値が0.3Aより小さい場合はモータ電流値が極小で検出できないため、値を算出しない。表中のNoハからNoチの−の部分は算出されていないことを示す。誘起電圧検出手段12により推定された位相はTAまたはTBを測定しているタイミングでしか推定できないため、推定できない場合は前回の値が採用される。例えば表中Noイで推定された位相はNoロ、ハでも同じ値とする。Noハからはモータ電流値が0.3Aより小さくなるので、誘起電圧検出手段12の値が採用される。Noチからモータ電流値が増加しているが、推定された位相はNoトを使用するので位相が遅れ、更にモータ電流値が増える。Noリではモータ電流値がしきい値より大きくなり、電流検出手段7で推定された位相に切替られ、毎回位相の推定が行われるため、素早く目標の位相となる。位相がずれると誘起電圧が小さくなるため逆にモータ電流値が大きくなるため、誘起電圧検出手段12から電流検出手段7に切替わり、位相の追従が安定して出来る事がわかる。
FIG. 2 shows the waveform of each part, and FIG. 2A shows the input waveform of the induced voltage detection means 12 and the waveform of the one-phase stator winding LU. FIG. 2B shows output waveforms of the induced voltage detection means 12 and the current detection means 7. The induced voltage detection means 12 has H and L waveforms, and the current detection means 7 has a digital value. FIG. 2C shows an example of the output waveforms of the actual induced voltage detection means 12 and the current detection means 7 and the determination of the position detection determination means 9. When larger than a predetermined threshold value of the motor current value, for example, when 0.3A is set as a threshold value and larger than 0.3A, the estimated phases from No. energization to No are indicated. The phase estimated by the induced voltage detection means 12 and the current detection means 7 is performed for each energization. However, when the threshold value is smaller than 0.3 A, the motor current value is extremely small and cannot be detected, so the value is not calculated. In the table, “No” to “No” are not calculated. Since the phase estimated by the induced voltage detection means 12 can be estimated only at the timing when TA or TB is measured, the previous value is adopted when it cannot be estimated. For example, the phase estimated with No in the table is the same value for No and Ha. Since the motor current value is smaller than 0.3 A from No. C, the value of the induced voltage detection means 12 is adopted. Although the motor current value has increased from No., since the estimated phase uses No, the phase is delayed and the motor current value further increases. In No, the motor current value becomes larger than the threshold value, the phase is estimated by the current detection means 7, and the phase is estimated every time, so that the target phase is quickly obtained. If the phase shifts, the induced voltage becomes small and the motor current value becomes large. On the contrary, the induced
これによって、モータ電流値が極小になって電流波形が検出できなくなっても誘起電圧により位相が推定できるので、低回転でも安定して駆動どうでき、また、誘起電圧検出手段は1相の誘起電圧検出回路で実現できるので、低コストで小型化できるブラシレスDCモータの駆動装置が得られる。 As a result, even if the motor current value becomes a minimum and the current waveform cannot be detected, the phase can be estimated by the induced voltage, so that the driving can be stably performed even at a low rotation, and the induced voltage detecting means is a one-phase induced voltage. Since it can be realized by the detection circuit, a brushless DC motor drive device that can be reduced in size at low cost can be obtained.
なお、本実施例においては、モータ電流値のしきい値の具体的な例を示したが、この数値はモータの特性や電流検出手段の精度に合わせて決めれば良く、その作用効果に差異は生じない。 In this embodiment, a specific example of the threshold value of the motor current value is shown. However, this numerical value may be determined in accordance with the characteristics of the motor and the accuracy of the current detection means, and there is a difference in the operational effect. Does not occur.
(実施の形態2)
異常検出手段11は回転子位置推定手段8が電流検出手段7及び誘起電圧検出手段12より推定した位相の差を求め、予め定められた位相差と比較し、小さい場合、通電手段10から出力される通電信号をドライブ回路14に出力し、実際にブラシレスDCモータ2を駆動する。逆に大きい場合、通電手段10からの信号にかかわらず、異常として停止させる信号をドライブ回路14に出力し、実際にブラシレスDCモータ2を停止させる。
(Embodiment 2)
The abnormality detection means 11 obtains the phase difference estimated by the rotor position estimation means 8 from the current detection means 7 and the induced voltage detection means 12 and compares it with a predetermined phase difference. Is output to the
図3はブラシレスDCモータ2が脱調した場合の各部の波形を示す。図3(a)は誘起電圧検出手段12の入力波形である。ブラシレスDCモータ2は停止しているので、誘起電圧の発生無く、図示したような波形になる。図3(b)は実際の誘起電圧検出手段12と電流検出手段7の出力波形と異常検出手段11が位相差を検出して停止する説明図である。誘起電圧検出手段12は、ブラシレスDCモータ2は停止しているがドライブ回路14は動作しているため、回転子4は通電毎に微振動を繰り返し、一例として図に示す様に−30度や30度の位相を交互に繰り返す動作になる。これに対し、電流検出手段7は誘起電圧の発生が無いので、ブラシレスDCモータ2の固定子巻線のインダクタンスに従って変化する電圧となり、一例として図に示す様な波形となる。この場合の電流検出手段7が推定する位相は−30度となる。モータ電流値は固定子巻線の抵抗のみとなるため大きなモータ電流値となり、位置検出判断手段9の予め定めたしきい値は常に超えた状態になる。
FIG. 3 shows waveforms at various parts when the
回転子位置推定手段8は誘起電圧検出手段12より推定した位相をφY、電流検出手段7より検出した位相をφDとすると、異常検出手段11は位相差を(3)式より検出する。
The rotor position estimating means 8 detects the phase difference from the equation (3), assuming that the phase estimated by the induced
位相差=φY−φD ・・・(3)
予め定めたしきい値を、例えば±40度とすると、例えばNoイの場合、位相差は0度となり異常とはならない。一方、例えばNoヌの場合、位相差は60度となり、異常検出と判断して、ブラシレスDCモータ2を停止させる。
Phase difference = φY-φD ·· · (3 )
If the predetermined threshold value is, for example, ± 40 degrees, for example, in the case of No, the phase difference becomes 0 degrees and does not become abnormal. On the other hand, for example, in the case of No, the phase difference is 60 degrees, and it is determined that an abnormality has been detected, and the
これによって、ブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、回転子の位置の推定に差ができるため、確実に脱調を検出し安全に停止することができるブラシレスDCモータの駆動装置が得られる。 As a result, when the brushless DC motor steps out and stops, there is a difference in the estimation of the rotor position, so that a brushless DC motor drive device that can reliably detect the step out and stop safely can be obtained. .
なお、本実施例においては、位相差のしきい値の具体的な例を示したが、この数値はモータの特性に合わせて決めれば良く、その作用効果に差異は生じない。 In the present embodiment, a specific example of the threshold value of the phase difference is shown. However, this numerical value may be determined in accordance with the characteristics of the motor, and there is no difference in the operational effect.
(実施の形態3)
図4は従来の天井埋込換気扇に本発明のブラシレスDCモータの駆動装置を搭載したものである。
(Embodiment 3)
FIG. 4 shows a conventional ceiling-mounted ventilation fan in which the brushless DC motor driving device of the present invention is mounted.
これによって、換気送風装置が快適性の向上のために微風量で長時間安定して換気することや、ブラシレスDCモータが脱調して停止した場合、確実に過電流を検出し安全に停止することができる。 As a result, when the ventilation fan blows stably for a long time with a slight air flow to improve comfort, or when the brushless DC motor steps out and stops, it reliably detects overcurrent and stops safely be able to.
1 インバータ回路
2 ブラシレスDCモータ
3 固定子巻線
4 回転子
5 直流電源
6 電流検出抵抗
7 電流検出手段
8 回転子位置推定手段
9 位置検出判断手段
10 通電手段
11 異常検出手段
12 誘起電圧検出手段
13 1/2電圧
14 ドライブ回路
15 マイクロコンピュータ
16 駆動装置
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